Электрический каротаж нефокусированными зондами

Нефокусированные зонды электрического каротажа обычно состоят из двух питающих электродов (обозначаемых на схемах как А и B), один из которых (B) заземлен на поверхности, и двух приемных электродов (M и N). Электроды А и B питают переменным током низкой частоты (не превышает нескольких сотен Гц), что позволяет базировать теорию метода на законах постоянного тока. Измеряют разность потенциалов (напряжение) между приемными электродами, получая в итоге т.н. кажущееся сопротивление, равное

ρ_К = K ΔU/I, где K ˗ коэффициент зонда. (7.2)

Кажущимся наблюденное сопротивление называют из-за его зависимости не только от свойств изучаемого пласта, но и от свойств скважины, зонда, экранных эффектов горизонтальных границ и т.д.

Нефокусированные зонды электрического каротажа бывают двух типов ˗ градиент-зонд (измерительные электроды сближены) и потенциал-зонд (измерительные электроды отдалены друг от друга).

В соответствии с названием для градиент-зонда разность потенциалов между M и N близка к градиенту потенциала в точке записи, а для потенциал-зонда – к потенциалу в точке M.

На представленной схеме (Рисунок 61) можно видеть, кроме строения зондов, определение их длин и расположение точки записи (точки, к глубине положения которой относят результат измерения).

Расположение электродов оказывает влияние на радиус исследования (глубинность) зондов. Радиус исследования градиент-зонда приблизительно равен его длине, в то время как глубинность потенциал-зонда – 2–3 длины.

Кривые, записанные градиент- и потенциал-зондами напротив одного и того же пласта, различны по форме. Различны также и методики отбивки границ и снятия существенных значений.

 

Рисунок 61. Схемы расположения электродов, составляющих градиент- и потенциал-зонды

Отбивка кровли пласта высокого сопротивления по кривой градиент-зонда делается по минимуму, подошвы – по максимуму, а в виде существенных значений напротив пласта достаточной мощности следует снимать среднее значение в средней части пласта (Рисунок 62).

Отбивка границ пласта высокого сопротивления по кривой потенциал-зонда делается на расстоянии L_з/2 от начала крутого подъема кривой, а в виде существенных значений напротив пласта достаточной мощности следует снимать максимальное показание напротив середины пласта (Рисунок 62). Поскольку при наличии скважины и прискважинной области с измененным составом флюида (зоны проникновения) определить истинное сопротивление пласта при одиночном профилировании нефокусированными зондами невозможно, предложен метод одновременного замера, выполняемого несколькими градиент-зондами разной длины, размещенными на одном приборе. Длины зондов, включенных в прибор, обычно составляют от 0,45 до 8,5 м. Поскольку радиус исследования обусловлен длиной зонда, таким путем осуществляют зондирование среды в радиальном (боковом) направлении или боковое каротажное зондирование (БКЗ).

Напротив пластов с существенным радиальным изменением сопротивления (коллекторов, Рисунок 60) наблюдается расхождение показаний градиент-зондов разной длины (Рисунок 63), так как их радиусы исследования охватывают участки среды с разным сопротивлением – от скважины и зоны проникновения для коротких зондов до неизмененной части пласта для длинных зондов.

 

a b

Рисунок 62. Кривые, записанные градиент- и потенциал-зондом напротив пласта высокого сопротивления (a – градиент-зонд, b – потенциал-зонд)

Рисунок 63. Показания зондов БКЗ напротив коллекторов и неколлекторов

При интерпретации данных БКЗ для каждого исследуемого пласта строится фактическая кривая зондирования – зависимость показаний зонда (существенного значения кажущегося

Рисунок 64. Пример применения метода подбора. Модель трехслойная, с повышающим проникновением

сопротивления, снятого с кривой напротив пласта) от его длины ρк = f(Lз). Так как радиус исследования зонда прямо связан с его длиной, эта зависимость отражает распределение сопротивления в радиальном направлении (предполагается, что в осевом направлении сопротивления модели неизменны). Для решения обратной задачи БКЗ используется метод подбора (Рисунок 64, Рисунок 65) – прием совмещения кривой зондирования с палеточными кривыми (расчетными кривыми зондирования для заданных параметров модели среды).

Рисунок 65. Пример применения метода подбора. Модель трехслойная, с понижающим проникновением

Модель распределения сопротивления в среде, использованная для расчета наиболее подходящей палеточной кривой, принимается за модель изучаемого пласта. Результатом интерпретации данных БКЗ как зондирования является полное описание пространственного распределения сопротивления в рамках выбранной модели, то есть определение диаметра D и сопротивления ρзп зоны проникновения и сопротивления ρп неизмененной части пласта.

Микрозондирование

Микрозондирование нефокусированными зондами состоит в одновременном исследовании ближней зоны потенциал- и градиент-зондом малой длины.

Прибор для микрозондирования представляет собой резиновый башмак с расположенными на нем электродами, который для исключения влияния промывочной жидкости прижимается к стенке скважины. Расстояния между электродами составляют 2,5 см, так что образуется потенциал-микрозонд (МПЗ) А0,05M и градиент-микрозонд (МГЗ) А0,025M0,025N. Роль удаленного электрода N для потенциал-микрозонда играет металлический корпус прибора (Рисунок 66).

Радиус исследования МГЗ составляет 3–4 см, тогда как МПЗ – 10–15 см. Поэтому влияние низкого сопротивления глинистой корки (на коллекторах, толщина 1–3 см) на показания МГЗ существеннее, и показания МПЗ напротив коллекторов должны превышать показания МГЗ (Рисунок 67). Напротив непроницаемых пластов низкого удельного сопротивления (глин, например) показания микрозондов совпадают.

 

Рисунок 66. Устройство микрозонда

Рисунок 67. Расхождение показаний микрозондов напротив коллекторов

Боковой каротаж

Боковой каротаж (БК) – электрический метод с фокусированной управляемой системой питающих электородов. Имеет трех, семи и девятиэлектродные модификации.

Фокусировка зонда, изображенного на Рисунок 68, достигается применением трех точечных питающих электродов А₀, А₁ и А₂, напряжение на которые подано в одинаковой фазе. Такая система позволяет сфокусировать ток центрального электрода в пласт.

Рисунок 68. Схема зонда семиэлектродного БК и линии тока, возбуждаемого им

Управление фокусировкой осуществляется с помощью контрольных электродов M1, N1 и M2, N2. При правильной фокусировке ток на участках M1N1 и M2N2 не протекает и разности потенциалов между ними равны нулю (условие регулирования). При нарушении фокусировки электронная схема зонда автоматически изменяет силу тока через экранные электроды А1 и А2. Ток I0 на выходе генератора, питающего электрод А0, неизменен. При выполнении условия регулирования потенциалы электродов M1, N1, M2 и N2 равны. Измеряют разность потенциалов UБК между любым из этих электродов и удаленным электродом N¥, получая кажущееся сопротивление, равное ρК = KБК UБК/I0, (7.3) где KБК ˗ коэффициент фокусированного зонда. Таким образом, зонды БК являются потенциал-зондами с фокусировкой тока, и для их диаграмм можно применить правила

отбивки границ и снятия существенных значений с кривых потенциал-зондов. Особенностью поля при боковом каротаже является то, что текущие в изучаемой среде токи при мощности пласта более 1 м не пересекают плоских границ. Это практически освобождает диаграммы БК от влияния вмещающих пород и дает высокую вертикальную разрешенность.

Линии тока, создаваемого центральным электродом А₀, можно считать перпендикулярными цилиндрическим границам. Это позволяет при расчете полного сопротивления заземления центрального электрода складывать сопротивления отдельных зон среды: скважины, зоны проникновения, пласта, включенных последовательно.

Для корректного учета влияний участков среды на наблюденное сопротивление вводится понятие геометрических факторов. Геометрический фактор участка среды зависит как от геометрии участка, так и от свойств зонда – размещения, числа и характеристик фокусирующих элементов ̶ и отражает вклад участка среды в результирующее поле. Логично, что сумма геометрических факторов всех участков среды, также как и геометрический фактор однородной среды, равны единице.

При наличии зоны проникновения значение измеряемого кажущегося удельного электрического сопротивления бокового каротажа может быть записано как

ρ_к = B_c ρ_с + B_зп ρ_зп + B_п ρ_п, (7.4)

где Bc, Bзп, Bп ̶ геометрические факторы скважины, зоны проникновения и пласта.

Вышесказанное позволяет оценить эффективность измерения боковым каротажем в условиях различного сопротивления скважины и характера проникновения.

Очевидно, что эффективным можно считать измерение, при котором наблюденная величина сопротивления близка к истинному сопротивлению пласта. В таком случае ясно, что условие эффективного измерения боковым каротажем – низкое сопротивление скважины, понижающий характер проникновения и высокое сопротивление пласта. Такие условия складываются при разбуривании карбонатного разреза скважиной на глинистом или глинисто-полимерном растворе.

Увеличение диаметра зоны проникновения ведет к увеличению ее геометрического фактора и, соответственно, вклада в наблюденное сопротивление.

Характерный для терригенных коллекторов повышающий характер проникновения оказывает большое влияние на показания бокового каротажа, получаемое кажущееся сопротивление оказывается близко к сопротивлению зоны проникновения.

Индукционный каротаж

Индукционный каротаж (ИК) это метод ГИС, основанный на возбуждении в среде переменного электромагнитного поля (рабочие частоты лежат в диапазоне 20-60 кГц) и измерении ЭДС, индуцированной вызванными им вихревыми токами в приемной катушке зонда.

Простейший зонд индукционного каротажа состоит из генераторной и приемной катушек (Рисунок 69), оси которых совпадают с осью зонда. За точку записи принимают середину расстояния между катушками.

Переменный ток, пропускаемый через генераторную катушку, создает переменное магнитное поле, индуцирующее вихревые токи в среде, окружающей зонд. Очевидно, что при одинаковом первичном поле сила этих токов пропорциональна проводимости среды.

Магнитное поле в области расположения приемной катушки есть сумма первичного поля, создаваемого генераторной катушкой, и вторичных полей, создаваемых вихревыми токами. Первичное поле компенсируют специально подключенной компенсационной катушкой. Напряженность вторичного поля пропорциональна силе вихревых токов и, следовательно, проводимости горных пород.

Кроме генераторной, приемной и компенсационной катушек индукционные зонды могут содержать фокусирующие катушки. Фокусировка в случае индукционного каротажа может быть двух видов – внешняя и внутренняя. При конструировании внешней фокусировки действие фокусирующих катушек направлено на уменьшение распространения поля в осевом направлении и,

 

Рисунок 69. Принципиальная схема зонда ИК

таким образом, на исключение влияния вмещающих пород и горизонтальных границ и увеличение вертикальной разрешенности. Внутренняя фокусировка приводит к концентрации поля в области неизмененного пласта и снижению влияния скважины и зоны проникновения на показания прибора. Обозначение зонда ИК включает общее число катушек, букву Ф, если зонд фокусирован, а также длину зонда (например, 6Ф1 – шестикатушечный фокусированный зонд длиной 1 м). Измеряют ЭДС (напряжение) на приемной катушке, получая кажущуюся проводимость, равную sк = E/KИ, (7.5) где KИ ˗ коэффициент индукционного зонда. Токовые линии поля, создаваемого индукционным зондом, не пересекают цилиндрических границ скважины и зоны

проникновения. Это позволяет складывать эффекты влияния проводимости отдельных кольцевых проводников, независимых друг от друга, как при параллельном соединении.

В соответствии с теорией геометрических факторов, аналогичной таковой для бокового каротажа, можно записать

s_к = G_c s_с + G_зп s_зп + G_п s_п, (7.6)

где Gc, Gзп, Gп ̶ геометрические факторы скважины, зоны проникновения и пласта.

Оценим эффективность измерения индукционным каротажем в условиях различного сопротивления скважины и характера проникновения.

Если оценивать только влияние проводимости, то условие эффективного измерения индукционным каротажем – высокое сопротивление скважины, повышающий характер проникновения и низкое сопротивление пласта. Такие условия складываются при разбуривании терригенного разреза скважиной на нефтяной основе. Вообще, из методов электрометрии в непроводящих скважинах (РНО, сухие) возможно применение только индукционного каротажа. Ведь для измерения электрическими методами (БКЗ, БК и пр.) необходим гальванический контакт между электродами и породой, который в непроводящей скважине невозможен.

Успешная внутренняя фокусировка современных зондов индукционного каротажа дает возможность эффективного измерения индукционным каротажем в хорошо проводящих скважинах, радикально снижая геометрический фактор скважины. Поэтому индукционный каротаж и его модификации являются основным методом определения сопротивления терригенных коллекторов. Однако зоны проникновения большого диаметра могут ограничивать эффективность измерения индукционным каротажем даже в условиях повышающего проникновения. В этом случае возникает необходимость внесения поправок за наличие зоны проникновения.

Часть энергии вихревых токов при распространении их в среде преобразуется в тепловую энергию и амплитуда поля падает. Такое явление называется скин-эффектом и должно учитываться при расчете сопротивления по данным индукционного каротажа (вводится специальная поправка). Поскольку нагревание среды пропорционально ее проводимости, скин-эффект значительнее в проводящих средах.